原料場堆取料機無人化技術研究

王昂 吳鵬 張力

[摘? ? 要]為了推進現代化原料場的建設，梅鋼對原料區域內的堆取料機進行了無人化作業技術改造，主要包括料堆三維成像、料機定位、堆取料作業模型，過程控制等內容，融合了掃描成像技術、精確定位技術、模型控制技術等內容。通過中控遠程控制可實現堆取料機的自動堆取料作業，不僅提高了作業效率，同時降低了人力成本，改善了現場作業環境。

[關鍵詞]無人化控制;三維成像;堆取料作業模型

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–00–02

Research on Unmanned Technology of Stacker and Reclaimer in Raw Material Yard

Wang Aao，Wu Peng，Zhang Li

[Abstract]In order to promote the construction of a modern raw material yard， Meishan Iron and Steel has carried out unmanned operation technology transformation of the stacker and reclaimer in the raw material area， which mainly includes three-dimensional imaging of the stack， the positioning of the stacker， the stacking and reclaiming operation model， and the process control. It includes scanning imaging technology， precise positioning technology， model control technology， etc. Through the central control remote control， the automatic stacking and reclaiming operation of the stacker and reclaimer can be realized， which not only improves the operating efficiency， but also reduces the labor cost and improves the on-site operating environment.

[Keywords]unmanned control; three-dimensional imaging; stacking and reclaiming operation model

梅鋼碼頭區域有2個原料一次料場，有料機7臺，其中堆料機1臺，取料機2臺，堆取料機4臺。隨著公司進行智慧制造技術升級的推進，為了解決堆取料機人工操作強度大、工作能要求高的問題，滿足智慧制造技術先進、生產高效、綠色低碳智慧化料場的理念，梅鋼公司對一次料場區域的7臺堆取料機進行了無人化控制改造。運用三維成像技術、料機定位技術以及先進的設備設施，同時增設中控遠程控制站，實現了堆取料機不需要現場操作司機。中控操作人員可以通過中控遠程控制站或通過模型下發堆取料作業指令，堆取料機進行操控自動堆取料作業。

1 網絡架構及主要技術

堆取料機的無人化控制系統網絡見圖1。本系統包括堆取料機的自動化控制系統、堆取料機的作業控制系統，圖像處理系統。通過三維掃描成像和料機的格雷母線定位信息，獲得料堆形狀信息和堆取料機的位置信息數據，經堆取料機的作業控制系統（無人化PLC）分析處理，通過中控人員下發堆取料作業的要求，將堆取料機的走行、回轉、俯仰等指令發送到料機自動化控制系統，實現料機的無人化作業。

2 料堆掃描成像技術

料場料堆的三維掃描成像技術利用安裝在料機員操作室下的2臺激光雷達掃描儀完成，在堆取料機作業前，啟動料場掃描作業，堆取料機從料場一端自動運行到另一端，通過激光雷達掃描儀完成料場的掃描作業。激光雷達掃描儀將采集的點云數據通過中控圖像處理服務器進行分析、處理、存儲，通過計算公式將這些數據進行轉換，建立料堆的三維圖像模型，通過HMI畫面顯示（圖2）。通過三維掃描獲得的料堆的高度、邊界等數據信息將為堆取料機進行自動堆料或自動取料作業提供料堆的信息數據。

3 料機定位技術

料機的定位主要包括走行定位、回轉定位、斗輪點定位三部分，其中走行定位依靠安裝在場地皮帶上的編碼電纜和堆取料機大車上的天線箱確定料機在料場中的位置信息，回轉定位依靠安裝在堆取料機回轉軸承固定座上的編碼電纜和回轉平臺上的天線箱確定位置信息，均采用格雷母線定位裝置，通過堆取料機PLC系統采集處理，與無人化PLC系統通信，實時確定料機的走行位置和斗輪的回轉位置，斗輪點的定位依據料堆三維掃描數據確定，由斗輪處安裝的雷達料位計輔助判斷。通過對料機走行、回轉和斗輪位置的實時定位，為料機的自動堆料和取料提供實時位置信息。

3.1 堆取料作業控制模型

3.1.1 堆料作業控制模型

堆料作業控制系統在料場三維成像顯示下，根據畫面下發堆料作業料種與料條位置信息，堆取料機的無人化控制系統自動判定堆料起始終止地址，通過選擇堆料模型計算出當前堆料工藝是縱向堆料還是回轉堆料。①縱向堆料。在首堆堆積至設定目標堆高后，懸臂頭輪處料位計觸發到位信號，堆料機向堆料終止地址方向走行固定距離，待下一堆再次觸發料位計到位信號，周而復始進行走行動作完成縱向堆料作業，直至到達堆料設定終止地址，完成堆料作業。②回轉堆料。在首堆堆積至設定目標堆高，料位計到位信號觸發，堆料機同時控制走行與回轉機構動作，使首堆落料點位置平移固定距離到達第二堆落料點位置（橫移距離可在任務計劃中設定），第一橫排堆積完成，堆料機向堆料終止地址方向走行固定距離，繼續第二橫排堆積作業，直至到達堆料設定終止地址。

3.1.2 取料作業控制模型

取料作業控制系統根據料場三維成像數據計算出堆取料機的走行定位點和堆取料機的回轉角度，控制堆取料機大車走行和懸臂的回轉。①取料點定位。通過雷達料位計判斷斗輪與料堆的位置關系，定位斗輪到取料作業目標層區。②斗輪寸動調節。結合懸臂皮帶秤的流量實時控制堆取料機的回轉速度和進斗深度來完成取料作業自動調節，皮帶流量在設定目標流量范圍內，不做寸動調節變化，若皮帶流量超過設定的上限流量，則寸動距離自動縮小0.1m，若皮帶流量低于設定的下限流量，則寸動距離自動增進0.1m，否則寸動距離維持當前值不變。在完成本層取料后，根據料堆成像結果計算下一層對位數據結果，調整走行和回旋到目標位置，俯仰降至下一層取料高度，繼續進刀進行取料作業。

3.2 料機防撞技術

3.2.1 料機懸臂與料堆防撞技術

堆取料機懸臂的運行位置由三維成像計算獲得，通過料機的自動化控制系統控制運行。在堆取料機作業過程中，通過安裝在斗輪處的雷達料位計檢測斗輪與料堆的相對距離來避免料機懸臂與料堆相撞;同時在懸臂外圍設置鋼絲繩限位開關，當保護鋼絲繩觸碰到料堆，限位開關發出限位觸發信號，料機將停止回轉或走行動作，需人工干預消除鋼絲繩限位信號或俯仰抬升到雷達料位計設定的范圍內，重新下達堆取料作業指令繼續自動進行堆取料作業。

3.2.2 料機與料機防撞技術

料機作業控制系統實時獲取堆取料機走行、回轉的格雷母線和懸臂俯仰角度等定位設備采集的堆取料機走行、回轉、俯仰實時位置數據，匯總在中控PLC中集中處理判定，根據堆取料機機械圖紙數據，通過計算出料場堆取料機斗輪以及臨側堆取料機懸臂長和尾車配重的相對位置關系，制定防碰撞規則。當堆取料機之間達到報警距離時，畫面提示堆取料機的防撞提醒，料機將減速運行。當達到設定的最小距離時，則堆取料機立即停止堆取料機動作，需進行人工干預。

4 堆取料機無人化改造效果分析

堆取料機的無人化技術改造充分運用三維掃描技術、格雷母線定位、堆取料作業控制模型等技術升級改造方案，從智慧化、無人化、高效和安全等方面入手。通過系統的技術改造，有效地提升了堆取料機的自動化控制水平，有效解決了堆取料機人工操作強度大、勞動效率不高等問題。實現了原料場技術先進、生產高效、綠色低碳、智慧制造的理念，實現了原料區域堆取料機的無人化運行。

（1）實現了料場的三維成像模型。三維掃描成像技術的應用，通過圖像服務器準確地計算出料堆的高度、邊界等數據，通過中控的無人化PLC系統和料機PLC系統之間的通信，有效控制堆取料機的走行位置、回轉角度、斗輪定位點等，迅速完成堆取料機的自動對位。

（2）實現了堆取料作業的無人化運行。通過堆取料機的走行、回轉以及斗輪的準確定位，利用堆取料作業模型，通過無人化操作畫面下達作業指令的方式，實現了料機的自動堆取料作業，減少料機操作人員28人。

（3）實現了料機的集中統一管理。通過堆料機的無人化和堆取料作業模型，有效提高了堆取料機的作業效率，同時也實現了一人監控多臺堆取料機作業的功能。

（4）實現了堆取料機的狀態在線監測。通過對堆取料機走行、回轉、俯仰、懸臂皮帶的運行數據的監測采集，通過HMI畫面和現場視頻監控系統，不僅實時掌握堆取料機的運行狀態，同時通過制定防撞規則，保證了堆取料機的運行安全。

5 結束語

堆取料機是原料場內的主要設備，其操作動作復雜、控制要求高，工作時間長，對操作人員的操作技能也有較高要求。2020年5月，對原料場區域的7臺堆取料機進行了無人化技術改造，通過應用本文中所述的技術改造方案，解決了堆取料機自動化作業的難點，成功實現了堆取料機的無人化自動化運行作業，不僅提高了堆取料作業的效率，同時還降低了人力資源成本，有效地改善了現場作業環境。

參考文獻

[1] 顧奕華，張子才.散料場堆取料機防碰撞控制[J].冶金自動化，2010，34（1）：6-9.

[2] 吳毅平，商曉東，陶鈞.無人化料場和庫場設計與實現[J].自動化儀表，2014，35（12）：83-87.